基于射頻識別技術的智能信箱系統設計

唐蘇明，黃梓瑜

(西南石油大學 電氣信息學院，四川 成都 610500)

信箱是一種人際的溝通工具之一。信件送來，收件者因為外出或者忙碌，無閑親身接收，只有由信箱代勞，待收件人有空才開信箱，一次拆閱、處理來信。普通鎖是信箱的常用安防工具，但隨著人們對生活質量的要求越來越高，這種傳統工具越來越不能滿足人們的生活需求，給生活帶來諸多不便。如果能安裝一套不僅適合于單個家庭，而且也適合于多個家庭或社會團體的簡易智能信箱，將會給人們的生活帶來極多方便。

智能信箱是一種新型現代化的電子系統，集射頻識別技術和機電控制技術為一體，涉及電子技術、傳感器技術、微計算機控制技術、通信技術等諸多新技術。智能信箱按其組合結構形式通常分為獨立信箱和組合智能信箱兩種，獨立智能信箱可應用于單個家庭，組合智能信箱一般應用于小區、學校、醫院、大廈等社會團體區。

1 系統結構與原理

智能信箱系統的主要功能是實現信箱的智能化，它主要由卡片、讀卡器、電子鎖、控制器、電源、鍵盤、液晶顯示器、蜂鳴器、指示燈、接近開關及數據存儲器等幾部分組成，其結構框圖如圖1所示。

圖1 智能信箱系統結構框圖

根據結構圖可簡述系統的工作原理：電源模塊為整個系統提供工作電壓，當信箱內有信件時，控制器接收接近開關信號，并控制信件指示燈變亮。用戶除使用密碼開鎖外，還可用卡片靠近在讀寫器的感應區，控制器對從讀寫器處接收到的信息進行判別。若卡片是用戶卡，則進行開鎖處理，并控制開鎖指示燈變亮，當用戶關上箱門時，關門接近開關輸送感應信號至控制器，控制器控制電子鎖模塊進行上鎖處理。若為管理卡，則可使用鍵盤進行添加用戶、刪除用戶、修改密碼等動作。

2 射頻識別技術原理及特點

2.1 工作原理

射頻識別(RFID)技術是一種自動識別技術。一般情況下，射頻識別系統主要由控制器、讀卡器、非接觸式IC卡三部分構成，其具體結構如圖2所示。

圖2 射頻識別系統結構圖

IC卡：又稱電子標簽，主要由IC芯片及感應天線組成，并完全封裝在一個標準的PVC卡片中，無外露部分。IC卡通常通過無線電波來實現與讀寫器之間的讀寫操作。非接觸式IC卡本身是無源的，它能保存事物的屬性、狀態及編號等信息。當讀寫器發出信號對卡進行讀寫操作時，其信號有兩部分：(1)電源信號。IC卡接收此信號后，該信號會與卡中的LC電路產生諧振，從而產生一個供芯片進行相關工作的能量。(2)數據信號。該信號能指揮芯片進行數據的存儲、修改、更新等操作，并在操作完成后回發給讀寫器。此外，IC卡具有加密通信功能。

讀寫器：又稱通信器或掃描器，主要由天線、發射器、接收器、調制器、解調器、編碼器及解碼器組成，其作用是實現控制器與IC卡之間的信息傳輸。

控制器：控制器的功能是實現數據的處理與存儲、以及通過讀寫器對IC卡進行讀寫操作等。

射頻識別工作原理：控制器對讀寫器發送讀寫命令，讀寫器接收命令、并將信息進行編碼和調制處理送給發射器，發射器將調制后的信息加載到13.56 MHz的載波信號中，經天線以無線電波的形式發送出去。進入讀寫器感應區的IC卡接收后獲得一種疊加信號，其中一部分信號與自身內部LC電路諧振而產生的工作電壓、復位信號、時鐘信號，另一部分信號IC卡芯片內部電路會對其進行解調和解碼，然后對命令請求或密碼權限進行判斷。若為讀命令，則會讀取芯片E2PROM內的信息，并對信息進行編碼和調制，而后通過卡內集成天線發送給讀寫器，讀寫器經天線接收信息后對信息進行解調和解碼操作，最后送給控制器處理。若為寫命令，則將控制芯片內有關電路提升電壓，直提升至E2PROM能工作為止，然后對E2PROM進行改寫操作。若密碼權限與芯片內信息不一致，則通過讀寫器給控制器發送錯誤信息。這就是IC卡、讀寫器、控制器三者之間的通信過程[1]。

2.2 主要特點

RFID系統通過射頻信號能自動識別目標對象并獲得相關數據，可工作于各種惡劣環境。其主要特點有：(1)體積小、識別準確性強、能適應于各種不同環境、具有強抗干擾的能力、使用壽命長且操作簡單方便；(2)具有強穿透性及無屏障識別功能，所以可進行長距離識別，并可同時識別多IC卡；(3)讀寫器與IC卡之間的安全通信使其具有比較高安全性；(4)IC卡除可存儲事物的屬性、特征、信息外，還可用算法來實現對所存數據的管理；(5)RFID系統識別速度快，能在10 ms之內完成讀寫操作，并可在100 ms之內完成數據的認證和交換[2]。

3 系統硬件設計

本文采用單片機C8051F020作為系統控制器，它具有功耗低、端口多、速度快、中斷源多等特點，還擁有全速、非侵入式的在系統調試接口、模數轉換和數字交叉開關等功能。下面分別介紹各模塊電路的設計。

3.1 讀寫器電路

讀寫器作為控制器與IC卡通信的中介，以MF-RC500為核心而設計的讀寫器完全具備系統所需的編碼、調制、發射、接收、解調、解碼等功能。讀寫器與IC卡之間通過無線電波來完成信息交換，IC卡接收的是米勒編碼，而讀寫器接收的是曼切斯特編碼。圖3為以芯片MF-RC500為核心的讀寫電路。在圖3中，MF-RC500的引腳D0～D7接單片機引腳 P7.0～P7.7，而引腳 IRQ、ALE、NCS、NWR、NRD 分別接C8051F020的外部中斷引腳INT0、使能信號引腳ALE、I/O口 P2.7、寫信號引腳 WR、讀信號引腳 RD，而引腳VMID、TX1、TX2、RX與天線的匹配電路相連接。

圖3 MF-RC500硬件電路

天線安裝在讀寫器中，用于發射和接收信號，并須與讀寫電路相匹配，圖4為天線的匹配電路。在圖4中，L1、L2、C11和 C13構成了一個低通濾波器，R9和 R10對VMID進行分壓，為了防止高次諧波干擾VMID和RX分別增設了C9與C10。

圖4 天線的匹配電路

3.2 開鎖電路

開鎖電路是整個系統的重要組成部分，如果單純地利用C8051F020輸出一個高電平來控制繼電器的斷開與閉合，就會產生開鎖不牢靠的結果。因此，本文采用達林頓管放大單片機I/O口的輸出信號控制繼電器的斷開與閉合，從而達到開關箱鎖的目的。8個達林頓可控制8個繼電器，其電路連接圖如圖5所示。

圖5 開鎖電路

3.3 顯示電路

液晶顯示器是一種常用的顯示裝置。當有人刷卡時，系統需要顯示一些信息提供給刷卡者參考，如信箱編號、輸入密碼提示、錯誤密碼提示、修改密碼提示、鎖已開提示等信息。本文采用OCMJ4x8C系列液晶顯示器，此顯示器具有自帶字庫的功能。因單片機只有64 KB的閃存，若每個漢字都用點陣顯示，根據液晶顯示原理，則每個字要占32 B，而64 KB的閃存能放2 000個字，所以使用OCMJ4x8C能解決C8051F020閃存不足的問題。

3.4 其他電路

智能信箱多用于人群比較密集的場所，用戶較多，所需存儲的數據量較大，而且必須保證在突然斷電的情況下系統仍保存數據不至于丟失。FM20L08型存儲器具有128 K×8 bit位的容量，且掉電后保存數據的時間可達10年，所以使用FM20L08型存儲器完全能解決存儲容量不足和掉電后丟失數據的問題。

鍵盤是提供給用戶進行手動操作的裝置，在電路中可把它設計成4×4型，共16個按鍵，其中數字0～9占10個，其余按鍵分別設置為“輸入箱號”、“輸入密碼”、“增加用戶”、“刪除用戶”、“確定”、“取消”。 系統直接采用12 V的開關電源，12 V直流電壓經兩級穩壓電路后分別輸出5 V和3.3 V電壓。

蜂鳴器是用來提示用戶每次按下按鍵的響應，其電路形式可直接在單片機的I/O口加一個4.7 kΩ電阻，并在電阻后接一個PNP型三極管9012驅動蜂鳴器。本文采用歐姆龍公司生產的接近開關E2E-X4MD1作為傳感器，E2E-X4MD1具有體積小、價格低、易安裝等特點，檢測距離為 3～25 mm，工作直流電壓為 10%max(10～40 V)，輸出信號可直接送往單片機I/O口。其中一個安裝在信箱底部正中位置，作為探物器；另一個安裝在箱門側，用于感應箱門關閉。設計指示燈的目的有兩個：一是用來提示用戶箱鎖是否打開；二是用來提示用戶信箱內是否有信。

4 系統軟件設計

系統軟件功能如下：

(1)與讀寫器之間的通信及數據接收與發送；

(2)用戶卡與管理卡數據信息的存儲；

(3)液晶顯示與鍵盤操作；

(4)接近開關信號的接收；

(5)蜂鳴器、指示燈及電子鎖的控制；

限于篇幅，本文只介紹系統執行如圖6所示的有卡程序時的流程。

圖6 有卡程序流程圖

在系統軟件進入有卡程序時，液晶顯示器同時顯示相應的信息，如：“此卡無效！”、“鎖已開！”、“已上鎖”、“請輸入箱號”、“請輸入密碼”等。

充分運用射頻識別技術設計智能信箱系統，不僅使信箱具有自動識別功能，而且與傳統信箱相比，智能信箱具有無與倫比的便捷性和安全性，極大地滿足了人們的生活需求。

[1]王愛英.智能卡技術[M].北京：清華大學出版社，2002.

[2]潘琢金，孫德龍，夏秀峰.C8051F單片機應用解析[M].北京：北京航空航天大學出版社，2002.

[3]唐海琳，鄒逢興.基于MF-RC500的 RFID讀寫器的天線及匹配電路設計[J].兵工自動化，2007，26(11).